Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2008/09

Presentazione sul tema: "Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2008/09"— Transcript della presentazione:

1 Esperimentazioni di Fisica 2 a.a. 2008/09
Annarita Margiotta tel Gianni Siroli tel.: 23/09/2008

2 Scopi del corso fornire i principii di base e gli elementi tecnico-pratici relativi allo studio dei circuiti elettrici e dell’elettronica a semiconduttori lineare e digitale introduzione all’uso della strumentazione di base per le misure elettriche introduzione alla strumentazione in uso nelle osservazioni astronomiche e astrofisiche ESAME: prova orale, ma è necessario avere presentato le relazioni scritte delle prove di laboratorio 23/09/2008

3 Programma del corso (obbligatorie)
cenni di elettromagnetismo classico: cariche, forze, potenziali, campi elettronica analogica: grandezze fondamentali per l’analisi dei circuiti elettronici ed elementi lineari dei circuiti: tensione corrente resistenza capacità induttanza leggi di Ohm e di Kirchhoff legge di Ohm generalizzata formalismo complesso filtri cenni sulla struttura a bande semiconduttori elementi non lineari passivi : diodi attivi : transistor - BJT; FET cenni su amplificatori e ADC/DAC richiami sulla teoria degli errori introduzione al laboratorio elettronica digitale: fondamenti di logica simbolica (algeba di Boole) porte logiche e tavole di verità circuiti digitali combinatori: multiplexer codificatori decodificatori sommatori genaatori di parità ROM PLA circuiti sequenziali : flip-flop registri contatori introduzione ai sistemi di acquisizione dati CCD ad uso astronomico fotomoltiplicatori radiotelescopi Esercitazioni di laboratorio con relazione scritta (obbligatorie) 23/09/2008

4 Prerequisiti Conoscenze relative all’elaborazione dei dati sperimentali (vedi Esperimentazione di Fisica 1) Conoscenze (almeno generali) di elettromagnetismo 23/09/2008

5 Durante il corso: in aula - come sempre (ci conosciamo da tempo…) le domande e le richieste di chiarimento sono sempre benvenute. nel mio studio – telefonate o mandate un per fissare un incontro (da soli o in gruppo). 23/09/2008

6 Testi consigliati Una selezione di argomenti da:
Resnick, Halliday, Krane – Fisica 2, C.E.A. Millman, Grabel - Microelettronica, McGraw-Hill Martinez, Klotz – A practical guide to CCD astronomy, Cambridge University Press dispense presso la portineria del Dip. Astronomia sito Internet: in alternativa si può usare qualunque altro testo di elettromagnetismo, circuiti ed elettronica Tutti i testi sono disponibili nella biblioteca del Dipartimento di Astronomia 23/09/2008

7 Cariche elettriche 2 diversi tipi di cariche elettriche
Benjamin Franklin le chiamò positive e negative le cariche Negative sono elettroni le cariche Positive sono protoni spesso sono legate in atomi: protoni positivi nel nucleo centrale r~10-15 m elettroni negativi orbitano attorno al nucleo r~10-10 m Esempio: Litio 3 protoni nel nucleo, 3 elettroni orbitanti 23/09/2008

8 Cariche elettriche unità e quantizzazione
L’unità di misura della carica elettrrica nel SI è il Coulomb (C ) La carica elettrica, q, è quantizzata quantizzata = è un multiplo intero di una qualche quantità e fondamentale della carica q = Ne N è un intero e rappresenta la carica di un elettrone = +1.6 x C Elettrone: q = -e Protone: q = +e 23/09/2008

9 schema di reticolo cristallino moto caotico delle cariche libere
velocità media tra 2 urti ≈ 106 m/s velocità di deriva ≈ m/s 23/09/2008

10 simbolo circuitale resistenza
dipendenza di r e quindi di R dalla temperatura questi valori valgono per una temperatura prefissata 23/09/2008

11 Conduttori: Rame, ferro, alluminio
Isolanti: Vetro, plastica, polistirolo  =  m Semiconduttori: Germanio, silicio, boro  = da a 10 2  m RESISTIVITA’ : r  W metro (ohm metro) RESISTENZA R = r  L / A W (ohm) RESISTORI Resistenza di un filo di lunghezza 3 m e sezione 3 mm 2 conduttore L = 3 m A = 3 mm2 0,01  semiconduttore da 1 K a 100 M isolante 1013  23/09/2008

12 Per un conduttore ohmico la resistenza è indipendente dalla ddp applicata
V I + - v (t) = R  i(t) IMPORTANTE: il verso convenzionale della corrente va dal polo positivo al polo negativo, come se si spostassero delle cariche positive 23/09/2008

13 Leggi di Ohm Prima legge di Ohm: in un conduttore metallico l'intensità di corrente (a temperatura T costante) è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore. i(t) = 1/R v(t) Seconda legge di Ohm: in un conduttore metallico di sezione costante S e lunghezza L, la resistenza è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e alla resistività r, inversamente proporzionale alla sua sezione S: R = r L/S 23/09/2008

14 elementi lineari (ideali)
resistore: elemento di circuito dotato di uno specifico valore di resistenza. Dissipa energia sotto forma di calore (effetto Joule) v(t) = R i(t) capacitore: elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo elettrico v(t) = 1/C ∫ i(t) dt induttore : elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo magnetico v(t) = L di(t)/dt 23/09/2008

15 C = Q/DV = [Farad] 1 pF = 10-12 F 1 nF = 10-9 F 1 mF = 10-6 F
Qual è l’area delle armature di un condensatore a facce piane, parallele, poste alla distanza di 1 mm, se la sua capacità è 1 Farad? 23/09/2008

16 Capacità di un condensatore a facce piane e parallele
Come si fa a calcolare? Provate a casa. NON ANDATE A CERCARE LA SOLUZIONE 23/09/2008

17 energia immagazzinata in un capacitore:
W = risultato ottenuto per un capacitore a facce piane, ma si può dimostrare che vale sempre 23/09/2008

18 Condensatori in serie e in parallelo
stessa carica elettrica stessa ddp 23/09/2008

19 INDUTTORE L nel SI Henry energia immagazzinata in un induttore:
induttore : elemento che immagazzina energia potenziale sotto forma di campo magnetico v(t) = L di(t)/dt anche L dipende essenzialmente da fattori geometrici (numero di spire, lunghezza e forma del solenoide/toroide…) energia immagazzinata in un induttore: W = 1/2 L I2 L nel SI Henry 23/09/2008

20 Potenza energia fornita ai portatori di carica potenza trasferita dal generatore di fem In un circuito puramente resistivo I= V/R: P = V I = R I2 = V2/R potenza dissipata per effetto Joule 23/09/2008

21 facciamo il punto della situazione 1
conduttori - isolanti intensità di corrente i = dq/dt : 1 Ampere = 1 Coulomb/s nei conduttori la corrente è data dal movimento di elettroni (unipolare). per convenzione il verso positivo della corrente è quello che si avrebbe se si muovessero le cariche positive. differenza di potenziale elettrica (o forza elettromotrice o tensione): Volt resistenza : Ohm RESISTORI : v(t) = R i(t) legge di Ohm capacità : Farad CAPACITORI (CONDENSATORI) : q(t) = C v(t)  v(t) = 1/C ∫ i(t) dt induttanza : Henry INDUTTORI : v(t) = L di(t)/dt 23/09/2008

22 qualche definizione aggiuntiva
generatore di tensione (ideale): dispositivo che mantiene costante una ddp ai capi di un carico, indipendentemente dal valore del carico generatore di corrente (ideale): dispositivo che fornisce una corrente indipendentemente dal carico circuito : insieme di elementi cpllegati mediante conduttori di resistenza, capacità e induttanza trascurabili rete : circuito complesso maglie : circuiti componenti una rete rami : parte di un circuito percorso dalla stessa corrente e compreso tra 2 nodi : è un punto in cui le correnti si dividono Analisi dei circuiti  Leggi di Kirchhoff 23/09/2008

23 Leggi di Kirchhoff In ogni nodo la somma algebrica delle correnti è uguale a 0 In ogni maglia la somma algebrica delle ddp è uguale a 0. 23/09/2008

24 resistenze in serie e in parallelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 23/09/2008

25 Generatore di tensione ideale e reale
Un generatore di tensione ideale è un generatore che produce la stessa tensione indipendentemente dal carico; questo equivale a dire che ha una resistenza interna nulla. Ciò non accade nel generatore reale in cui, a causa della resistenza interna, la tensione decresce all’aumentare del carico. Ri RL Vi VL 23/09/2008

26 Generatore di corrente ideale e reale
Un generatore di corrente ideale è un generatore che fornisce una corrente indipendentemente dal carico, questo equivale a dire che ha una resistenza interna infinita. Ciò non accade nel generatore reale, la cui la resistenza interna ha un valore finito. Ri RL I VL 23/09/2008

27 circuito RC costante di tempo RC = corrisponde
al tempo impiegato per trasferire sul condensatore (1-1/e) = 63% della carica totale 23/09/2008

28 circuito RL f 23/09/2008

29 Circuito oscillante LC
Per avere un riassunto della trattazione algebrica vista a lezione, fate riferimento alle dispense. 23/09/2008

30 circuito RLC D < 0 D = 0 D > 0 Per avere un riassunto della
trattazione algebrica vista a lezione, fate riferimento alle dispense. D < 0 D = 0 D > 0 23/09/2008

31 circuito RLC Per avere un riassunto della
trattazione algebrica vista a lezione, fate riferimento alle dispense. 23/09/2008

32 Formalismo complesso identità di Eulero: 23/09/2008

33 Formalismo complesso Soluzione =
integrale dell’omogenea associata (0) + integrale particolare  i(t) = i0 cos(wt + b) 23/09/2008

34 Formalismo complesso Sostituendo nell’equazione differenziale: (per i conti fatti in aula  dispense) 23/09/2008

35 Circuito resistivo b = a la corrente è in fase con la tensione
23/09/2008

36 Circuito capacitivo b = a + p/2 la corrente anticipa la tensione
23/09/2008

37 Circuito induttivo b = a - p/2 la corrente segue la tensione
23/09/2008

38 Circuito RLC serie f = a - b
tra corrente e tensione ai capi di R non c’è sfasamento le tensioni ai capi di C e di L saranno in quadratura 23/09/2008